根據微觀世界的這些規律改造經典統計力學，就得到量子統計力學。應用量子統計力學就能使一係列經典統計力學無法解釋的現象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱容、固體中的電子為什麼對比熱的貢獻如此小等等，都得到了合理的解釋。
原子核物理學
原子核是比原子更深一個層次的物質結構。原子核物理學是研究原子核的性質、內部結構、內部運動、內部激發狀態、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應過程的學科。
原子的核裂變示意圖。在原子核被發現以後，科學家們曾經以為原子核是由質子和電子組成的。1932年，英國科學家查德威克發現了中子，這才使人們認識到原子核可能具有更複雜的結構。
質子和中子統稱為核子，中子不帶電，質子帶正電荷，因此質子間存在著靜電排斥力。萬有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個質子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大萬億億倍以上。所以，一定存在第三種基本相互作用——強相互作用力。人們將核子結合成為原子核的力稱為核力，核力來源於強相互作用。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時的截麵估計，核力的有效作用距離力程約為一千萬億分之一米。
原子核主要由強相互作用力將核子結合而成，當原子核的結構發生變化或原子核之間發生反應時，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如鈾原子核）在吸收一個中子以後，會裂變成兩個較輕的原子核，同時放出20～30個中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成一個較重的原子核，同時放出巨大的能量。這種原子核的熔合過程叫作聚變。
粒子加速器的發明和裂變反應堆的建成，使人們能夠獲得大量能量較高的質子、電子、光子、原子核和大量中子。可以用來轟擊原子核，係統地開展關於原子核的性質及其運動、轉化和相互作用過程的研究。
高能物理研究發現，核子還有內部結構。原子核結構是一個比原子結構更為複雜的研究領域。目前，關於原子核結構，原子核反應和衰變的理論都是模型理論，其中一部分相當成功地反映了原子核的客觀規律。
固體物理學
固體物理學是研究固體性質、微觀結構及其各種內部運動，以及這種微觀結構和內部運動同固體的宏觀性質的關係的學科。它是物理學中內容極豐富、應用極廣泛的分支學科。
固體物理學為集成電路技術迅速發展奠定了基礎。固體的內部結構和運動形式很複雜，這方麵的研究是從晶體開始的，因為晶體的內部結構簡單，而且具有明顯的規律性，較易研究。1912年勞低溫高壓空氣等離子體發生儀。厄等發現X射線通過晶體的衍射現象，證實了晶體內部原子周期性排列的結構。加上後來喇格父子1913年的工作，建立了晶體結構分析基礎。對於磁有序的結構的晶體，增加了自旋磁矩有序排列的對稱性，直到20世紀50年代舒布尼科夫才建立了磁有序的對稱理論。以後進一步研究一切處於凝聚狀態的物體的內部結構、內部固體物理學是從研究晶體開始的。運動以及它們和宏觀物理性質的關係。這類研究統稱為凝聚態物理學。
固體物理對於技術的發展有很多重要的應用。晶體管發明以後，集成電路技術迅速發展，電子學技術、計算技術以至整個信息產業也隨之迅速發展。其經濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學也是材料科學的基礎。
等離子體物理學
等離子體物理是研究等離子體的形成及其各種性質和運動規律的學科。宇宙間的大部分物質處於等離子體狀態。例如：太陽中心區的溫度超過一千萬度，太陽中的絕大部分物質處於等離子體狀態。地球高空的電離層也處於等離子體狀態。19世紀以來對於氣體放電的研究、20世紀初以來對於高空電離層的研究，推動了等離子體的研究工作。從20世紀50年代起，為了利用輕核聚變反應解決能源問題，促使等離子體物理學研究蓬勃發展。
等離子體內部存在著很多種運動形式，並且相互轉化著。高溫等離子體還有多種不穩定性，因此等離子體研究是個非常複雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數學方程，但這組方程非常難解，目前還很難準確預言等離子體的性質和行為。